[發(fā)明專利]二硫化鉬基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010161953.1
• 申請(qǐng)日: 2020-03-10
• 公開（公告）號(hào): CN111389434B
• 公開（公告）日: 2023-04-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉碧錄;張弛;羅雨婷;成會(huì)明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華-伯克利深圳學(xué)院籌備辦公室
• 主分類號(hào): B01J27/22
• 分類號(hào): B01J27/22;B01J27/051;C25B1/04;C25B11/091
• 代理公司: 廣州嘉權(quán)專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 44205
• 代理人: 劉方

本發(fā)明公開了一種二硫化鉬基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，該制備方法，包括以下步驟：(1)取二硫化鉬材料，加入研磨材料碳化鉬，研磨形成粉末混合物；(2)將所述粉末混合物加入溶劑中，混勻；(3)通入惰性氣體和反應(yīng)氣體，熱處理制得二硫化鉬基復(fù)合材料，所述反應(yīng)氣體能夠在所述熱處理的溫度下分解出碳原子和氫氣。利用本發(fā)明的方法制得的二硫化鉬基復(fù)合材料電催化活性高，在電解水制氫、超級(jí)電容器、離子電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及催化材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種二硫化鉬基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

化石能源的大量使用，造成了日益嚴(yán)重的能源短缺和環(huán)境污染問題，因此人們對(duì)清潔能源的需求越來越迫切，相關(guān)研究工作也逐漸深入。氫能作為一種可再生能源，使用過程中清潔無污染，并且能量密度比化石能源(汽油)高三倍，具有良好的應(yīng)用前景。氫氣是氫能的載體，可以通過電解水的方式生產(chǎn)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闅淠軆?chǔ)存在氫氣中。水是地球上儲(chǔ)量巨大的資源，因而通過電解水的方式進(jìn)行氫氣的生產(chǎn)具有很大的前景。同時(shí)，電能的來源具有多樣性，在電解水產(chǎn)氫的過程中，可以將風(fēng)能、太陽(yáng)能產(chǎn)生的電能存儲(chǔ)在氫氣中，通過氫氣的運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)能源利用率的提高，避免能源浪費(fèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)清潔能源的使用和可持續(xù)發(fā)展。

電解水制氫過程中需要使用催化劑降低反應(yīng)過電勢(shì)以提高氫析出效率。鉑(Pt)等貴金屬催化劑成本高昂，并且只在低產(chǎn)氫速率(小電流密度，如10mA?cm-2)下具有優(yōu)異的催化性能，在較高產(chǎn)氫速率(大電流密度，如1000mA?cm-2)下催化性能劣化嚴(yán)重，不適用于電解水產(chǎn)氫工業(yè)的需求。因此尋找低成本、大電流密度下高催化活性的替代性催化劑是目前電催化研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

二硫化鉬(MoS₂)是一種層狀材料，以輝鉬礦的形式大量存在于自然界中，理論與實(shí)驗(yàn)均證實(shí)當(dāng)厚度降至納米尺寸時(shí)，二維MoS₂納米片具有良好的電催化產(chǎn)氫性能。但是MoS₂的產(chǎn)氫活性位點(diǎn)位于二維片層的邊緣，而其平面內(nèi)是惰性的。為了提高M(jìn)oS₂的活性位點(diǎn)數(shù)量，研究人員通過合成納米線、納米片等不同形貌來暴露更多的MoS₂邊界，以達(dá)到提升電催化產(chǎn)氫性能的目的，但是這些具有特殊形貌的樣品大都通過水熱法合成，合成效率低，不利于放大生產(chǎn)，難以進(jìn)行工業(yè)化應(yīng)用。另一方面，MoS₂本身導(dǎo)電性差，阻礙了電催化過程中的電荷傳輸，因而大量工作通過摻雜、復(fù)合、物質(zhì)轉(zhuǎn)變的方式提高催化劑的導(dǎo)電性，進(jìn)而試圖提高其催化活性。然而，總是存在著產(chǎn)率低、成本高、高電流密度下活性較差的問題。

綜上，開發(fā)簡(jiǎn)單、低成本實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備能夠應(yīng)用于電解水制氫的二硫化鉬基催化劑的方法，對(duì)本領(lǐng)域具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明提出一種二硫化鉬基復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，該制備方法易于放大生產(chǎn)，原料和工藝成本低廉，制備得到的二硫化鉬基復(fù)合材料具有較高的催化活性，能夠達(dá)到提升整體電催化產(chǎn)氫性能的目的。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的第一方面，提供一種二硫化鉬基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)取二硫化鉬材料，加入研磨材料碳化鉬，研磨形成粉末混合物；

(2)將所述粉末混合物加入溶劑中，混勻；

(3)通入惰性氣體和反應(yīng)氣體，熱處理制得二硫化鉬基復(fù)合材料，所述反應(yīng)氣體能夠在所述熱處理的溫度下分解出碳原子和氫氣。

在一些實(shí)施例中，所述反應(yīng)氣體包括氫氣、甲烷、天然氣中的至少一種。氫氣的作用是刻蝕二硫化鉬的表面和邊緣，使其產(chǎn)生孔洞及暴露鉬位點(diǎn)。甲烷在高溫下能夠分解出碳原子和氫氣，氫氣刻蝕后暴露的鉬原子與碳原子結(jié)合，形成碳化鉬，后續(xù)作為催化的一種活性物質(zhì)。天然氣即相對(duì)稍低純度的甲烷，可以代替甲烷的作用。